JP2016115886A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
[実施の形態1の装置の構成]
図1は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置100を示す断面図である。図1に示すように、半導体装置100は、シリコンからなるN+型半導体基板101と、N+型半導体基板101の表面側に設けたエピタキシャル層であるN−型ドリフト層102と、N−型ドリフト層102の表面部に設けたP+型拡散ウェル領域103、P型チャネルウェル領域104、およびN+型拡散ウェル領域105と、を備えている。P型チャネルウェル領域104は、N−型ドリフト層102の表面部に設けられている。N+型拡散ウェル領域105は、縦型MOSFETにおけるソース拡散領域であり、P型チャネルウェル領域104の表面部に部分的に設けられている。
(第1比較例)
図13は、実施の形態に対する第1比較例にかかる半導体装置800を示す断面図である。図13に示す半導体装置800は、第1比較例としての縦型MOSFETである。半導体装置800は、ドレイントレンチ111周りの構造を有さない点を除き、実施の形態1にかかる半導体装置100と同様の構成を備えている。図14は、実施の形態に対する第1比較例にかかる半導体装置800に形成される空乏層1301を模式的に示す断面図である。図13および図14においては、図1および図2と同一または対応する構成については同一の符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
図15は、実施の形態に対する第2比較例にかかる半導体装置900を示す断面図である。図15に示す半導体装置900は、高周波動作の向上のために改善された構造を備える。半導体装置900は、ドレイントレンチ1401、この内部に設けられたシリコン酸化膜1402およびフィールドプレート1403を有している点で実施の形態1にかかる半導体装置100と共通している。しかし、フィールドプレート1403の太さが一定である点で、実施の形態1にかかる半導体装置100とは異なっている。図16は、実施の形態に対する第2比較例にかかる半導体装置900に形成される空乏層1501を模式的に示す断面図である。図15および図16においては、図1と同一または対応する構成については同一の符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
図2は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置100に形成される空乏層を模式的に示す断面図である。空乏層201は、半導体装置100のドレイン電極110に正の電圧を印加し、ソース電極109を接地した時にN−型ドリフト層102に形成される。実施の形態1においては、フィールドプレート114がドレイントレンチ111の底部111bに向かって先細りであり、底部111bの側ほどドレイントレンチ111の側壁111aとフィールドプレート114の側面114aの距離Dを増加させている。従って、フィールドプレート114とN−型ドリフト層102との間隔である距離Dを、ゲート電極107近傍で大きくゲート電極107の遠方で小さくなるように調整することができる。これによりフィールドプレート114による電界をゲート電極107近傍で大きく作用させゲート電極107の遠方で小さく作用させることができる。フィールドプレート114による電界がドレイントレンチ111の底部111bの側にいくほど弱くなるので、ドレイントレンチ111の底部111bの側においては空乏層201を拡大する作用を弱めることができる。フィールドプレート114によりゲート電極107の下方へ空乏層201を伸ばしつつも、N−型ドリフト層102の深い部分では空乏化作用を弱めてオン抵抗Ronを小さくしドレイン電流経路の電気抵抗を減らすことができる。これにより、帰還容量Cgdおよび出力容量Cdsの抑制と、オン抵抗Ronの抑制とを、両立することができる。
図3は、本発明の実施の形態2にかかる半導体装置300を示す断面図である。図4は、半導体装置300に形成される空乏層401を模式的に示す断面図である。図3および図4において、図1および図2と同一または対応する構成については同一の符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
(1)ソーストレンチ301をN−型ドリフト層102の表面部から深く形成するほど、P+型ウェル領域303とN−型ドリフト層102とのPN接合の降伏電圧(第1降伏電圧)が低下する。ドレイントレンチ111をN−型ドリフト層102の表面部から深く形成するほど、ゲート電極107とN−型ドリフト層102との降伏電圧(第2降伏電圧)が増加する。
(2)「P+型ウェル領域303とN−型ドリフト層102とのPN接合の降伏電圧(実施の形態1で述べた第1降伏電圧)」を電源電圧の4倍から6倍に設定することが好ましい。ドレイントレンチ111を深くすることでドレインソース間の降伏電圧が増大するものの、オン抵抗も増大するため高周波特性が低下する。このため電源電圧の4〜6倍の範囲内の降伏電圧が得られる程度に、ドレイントレンチ111の深さを設定することが好ましい。
(3)「ゲート電極107とN−型ドリフト層102との降伏電圧(実施の形態1で述べた第2降伏電圧)」は、上記第1降伏電圧よりも高く設定することが好ましい。ソーストレンチ301が深いほど第1降伏電圧が低下するので、第2降伏電圧>第1降伏電圧とするためにはソーストレンチ301をドレイントレンチ111よりも深くすることが好ましい。これによりドレインソース間の降伏電流を低抵抗のソーストレンチ電極304に流すことができるので、サージ電流、負荷変動時の反射電力に起因するゲート絶縁膜の破壊等を防止することができる。
図5は、本発明の実施の形態3にかかる半導体装置500を示す断面図である。図6は、半導体装置500に形成される空乏層601を模式的に示す断面図である。図5および図6において、図1〜図4と同一または対応する構成については同一の符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
図7は、本発明の実施の形態4にかかる半導体装置650を示す断面図である。半導体装置650は、縦型の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)に対して、実施の形態1にかかるドレイントレンチ111およびフィールドプレート114を適用したものである。実施の形態1ではN+型半導体基板101の上にN−型ドリフト層102などを形成している。これに対し、図7に示す半導体装置650はP+型半導体基板1601の上にN−型ドリフト層102などを形成したものである。この点を除いては、実施の形態1と実施の形態4は同様の構造を備えている。図7において図1〜6と同一または対応する構成については同一の符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
図8は、本発明の実施の形態5にかかる半導体装置700を示す断面図である。図9は、半導体装置700に形成される空乏層801を模式的に示す断面図である。実施の形態5と実施の形態1〜4との違いは、フィールドプレートの構造にある。実施の形態1〜4では、N−型ドリフト層102に設けたドレイントレンチ111にフィールドプレート114を埋め込んでいる。これに対し、実施の形態5にかかる半導体装置650は、N−型ドリフト層102にトレンチを形成することなく平面フィールドプレート702を設けている。図8および図9において図1〜図7と同一または対応する構成については同一の符号を付し、説明を省略あるいは簡略化する。
Claims (10)
- 第1導電型の半導体からなるドリフト層と、
前記ドリフト層の裏面の側に設けられ、前記ドリフト層と電気的に接続する第1電極と、
前記ドリフト層の表面部に設けられ、前記第1導電型と反対の第2導電型の半導体からなる第1ウェル領域と、
前記第1ウェル領域の表面部に部分的に設けられ、前記第1導電型の半導体からなる第2ウェル領域と、
前記第2ウェル領域と電気的に接続する第2電極と、
前記第1、2ウェル領域および前記ドリフト層の上にゲート絶縁膜を挟みつつ設けられたゲート電極と、
前記ドリフト層の表面部における前記ゲート電極の隣に形成された第1溝に、絶縁膜を挟んで埋め込まれ、前記ゲート電極から絶縁されたフィールドプレートと、
を備え、
前記フィールドプレートが前記第1溝の底部に向かって先細りであり、前記底部の側ほど前記第1溝の側壁と前記フィールドプレートの側面の距離を増加させた半導体装置。 - 前記フィールドプレートが直線的に先細りとなる請求項1に記載の半導体装置。
- 前記フィールドプレートの前記側面が曲面である請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1ウェル領域に設けられた第2溝の底部への不純物添加により前記第2導電型の第3ウェル領域が形成され、
前記第2溝に埋め込まれた導電材料からなり且つ前記第2電極と電気的に接続した溝電極を、さらに備える請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記第2溝が、前記第1溝よりも深い請求項4に記載の半導体装置。
- 前記ゲート電極の側面を覆う側面絶縁膜を備え、
前記溝電極は、前記側面絶縁膜の隣から、前記側壁絶縁膜の直下の前記第2ウェル領域と接しつつ、前記第1ウェル領域に達する請求項4または5に記載の半導体装置。 - 前記ドリフト層と前記第1電極の間に前記第2導電型の半導体層が設けられた請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 第1導電型の半導体からなるドリフト層と、
前記ドリフト層の裏面の側に設けられ、前記ドリフト層と電気的に接続する第1電極と、
前記ドリフト層の表面部に設けられた前記第1導電型と反対の第2導電型の半導体からなる第1ウェル領域と、
前記第1ウェル領域の表面部に部分的に設けられた前記第1導電型の半導体からなる第2ウェル領域と、
前記第2ウェル領域と電気的に接続する第2電極と、
前記第1、2ウェル領域および前記ドリフト層の上に第1絶縁膜を挟みつつ設けられたゲート電極と、
前記ドリフト層の上かつ前記ゲート電極の隣に、第2絶縁膜を挟みつつ設けられたフィールドプレートと、
を備え、
前記第2絶縁膜は前記ゲート電極から離れるほど厚さが増大する半導体装置。 - 前記第2絶縁膜は、前記フィールドプレートの側に凸となるように前記ゲート電極から離れるほど連続的に厚くなる請求項8に記載の半導体装置。
- 前記ドリフト層の表面部は、前記フィールドプレートの下側において前記ゲート電極から離れるほど連続的に深く凹む凹部を有し、
前記第2絶縁膜が前記凹部と前記フィールドプレートとの間に設けられた請求項8または9に記載の半導体装置。
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